采用水下機器人對堤壩隱患的檢測方法技術

本發明專利技術涉及一種堤壩隱患檢測水下機器人系統與檢測方法。它包括由組合框架、推進控制艙等組成的水下機器人；由多卜勒測速儀、測高、測距聲納等組成的導航設備；由高分辨率多波束聲納和剖面聲納等組成的探測設備；由顯控臺等組成的堤岸設備。它由操作員根據導航設備所給出的水下機器人的位置信息，通過顯控臺遙控水下機器人作上下、左右、前后及左旋和右旋定向連續運動，并同時控制高分辨率多波束聲納和剖面聲納分別不斷向堤壩發射聲波，對聲回波信號處理后分別形成堤壩表面和內部剖面的三維聲圖像，再經圖像處理后分別在顯示器上顯示出來，供技術人員對整個堤壩結構病變做出評估。本發明專利技術可應用于各種水庫和江河堤壩的質量與安全檢測。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于檢測各種堤壩質量與安全性的水下機器人系統及檢測方法。
技術介紹
目前，在國內外能夠查閱到的資料對于各種水利、水電、水庫和江河堤壩的破損與病變所采用的檢測手段基本是運用物探的辦法，如高密度電阻率法、面波勘探法、探地雷達、瞬變電磁法、聲速測量法或預埋應力傳感器等方法。這些方法都有明顯的缺陷和不足。例如，高密度電阻率法需在堤壩上布置大量電極，通過儀器和人工控制，不斷改變供電和測量電極，以獲得不同水平位置的電阻率數據，該方法與電極間距及裝置的選擇、被測材質的含水量等有直接關系，所以往往與實際情況相差較大；面波勘探僅僅對于地層層狀具有明顯波束差異的堤段較好，但對洞穴及隱患部位探測時，其正、反演解釋及野外觀測作業的研究尚未成熟；探地雷達只在隱患部位較淺時適用，且受含水性的影響較大；瞬變電磁法由于使用頻率難以提高，因而在探測不均勻體時分辨率較差根據聲波速度測量確定材料的彈性模量的方法，受材料的材質、構成含水量、溫度等多種因素的影響，因而難以找到一個穩定確切的換算關系；預埋應力傳感器法只是在堤壩病變到較嚴重程度時才有較好的檢測效果，此時修復堤壩難度很大，可參見2002年7月27～29日在網上發表的“堤防隱患及險情快速探測儀器現場測評會會議紀要”。網址http//www.chinawater.net.cn/cwsnews/newshtm/y001122.htm由于上述方法只能是在壩頂進行壩體的物理探測，因而其共同缺點是探測深度淺(10-20米)，且精度不高；對于小型的空洞和裂縫的敏感度差；對于幾十米至百米以上的堤壩的中部、下部則根本無法測量。此外，由于僅能在干端(水面以上)進行測量，因而對于攔河大壩、發電為主的水源壩等，這些方法的應用都很困難。建國以來，我國共修建8.6萬多座堤壩，其中水深15m以上大壩有1.8萬多座，水深30m以上大壩有近3000座。這些工程在國民經濟中正發揮著巨大的作用。然而當前相當一部分大壩存在著不安全因素，有的已運行30多年甚至更長，壩體材料逐漸老化；有些已出現危及大壩安全的裂縫和病變；有些由于壩址地質條件復雜，導致大壩安全度偏低；還有些大壩的防洪標準較低等。這些因素不同程度地影響工程效益的發揮，甚至威脅著下游千百萬人民的生命財產安全。與此同時，大壩的規模日趨巨大，如長江三峽、龍羊峽、二灘、小浪底等。所以各種類型大壩的質量和安全性檢測就顯得更為重要。根據水利部制定的專項規劃，目前全國急需除險加固的病險水庫有幾千座，此外還有二類堤壩水庫兩萬余座，也應進行加固改造。因而急需有更有效的檢測手段，對于病險庫及新建堤壩的安全性與質量狀況進行檢測。
技術實現思路
本專利技術涉及一種堤壩質量與安全性檢測的水下機器人系統及檢測方法，為修復病險堤壩提供一種綜合性的高科技探測手段和檢測方法。本專利技術解決了對整個堤壩，包括水下幾十米、乃至二百米深的壩體部分的探測問題；不僅探測壩體表面的破損和裂縫，而且能夠探測壩體內部缺陷；掃查速度快，可達到5400米2/時。因而可對堤壩進行經常性的快速安全監測，從而可確保堤壩隱患的及時發現與報警。本專利技術水下機器人系統的組成包括作為載體和水下運行設備的水下機器人載體、裝配在水下機器人載體上的導航設備及對堤壩進行檢測的探測設備、用來對水下機器人載體進行操縱、供電和圖像與運動參數顯示的堤岸設備，見說明書附圖。其中水下機器人載體可以采用水下遙控機器人(ROV)或自治式水下機器人(AUV)，它包括有起支撐和承載作用的組合框架；用于驅動水下機器人載體的推進控制艙，推進控制艙通過對多推進器、、、、、(本專利技術采用3對6只推進器)的操縱控制，可使水下機器人載體實現上下、左右、前后、左旋和右旋的8個自由度運動；水下電源變換艙，它用來將堤岸上的電源供電轉換成供水下機器人載體及其上面攜帶的導航設備和探測設備所需用電；用于進行光—電和電—光信號變換的水下光端機。導航設備有用于測量水下機器人載體運動速度的多卜勒測速儀；分別給出以大壩、水底和水面為參考系的坐標位置的測高聲納、測距聲納和深度傳感器；給出水下機器人載體艏尾線北向的小型羅經；還可根據需要加裝GPS接收機，在水下機器人載體每次浮到水面時，給出對大地的絕對坐標位置。探測設備包括用于探測壩體表面缺陷和破損情況的高分辨率多波束聲納、用于獲取壩體內部結構及隱患情況的高分辨率剖面聲納、用于在清水環境近距離對壩體表面進行輔助探測的水下微光電視。堤岸設備可安放在一個小型水面支持船上或堤岸上的一個小型車載基站上，由工程師和操作員實施操作和控制。其組成包括顯控臺，它既是水下微光電視、聲納圖像的探測數據及水下機器人載體運動參數的顯示終端，也為水下機器人載體的控制提供主控計算機和手動操縱桿；配電箱，它先將水面支持船或堤岸上的交流220V電源升壓至1500V，然后通過光電復合纜給水下機器人載體供電，水面光端機用于光電信號之間的轉換。本專利技術的工作原理是當對某一水下堤壩進行檢測時，將裝有堤岸設備的小型水面支持船或小型車載基站開到堤壩附近位置，將水下機器人載體吊放入水中。啟動配電箱將水面支持船或堤岸上的交流220V電壓升至1500V，通過光電復合纜并經過水下機器人載體的電源變換艙的電壓變換，對水下機器人載體及其所攜帶的導航設備和探測設備按其所需電壓供電。操作員通過顯控臺控制導航設備和探測設備進入工作狀態。顯控臺的計算機對多卜勒測速儀、測高聲納、測距聲納、深度傳感器及羅經和GPS接收機的信號進行綜合運算后，在顯控臺的顯示器上給出水下機器人載體在水下的位置圖像和運動參數。操作員根據圖像和參數通過顯控臺的手動操縱桿給出電信號，控制推進控制艙通過推進器、、、、、驅動水下機器人載體到達堤壩探測的合適位置。此時探測設備中的高分辨率多波束聲納獲取堤壩表面的聲回波信號，經水下光端機將聲回波電信號變換為光信號，由光電復合纜傳輸至水面光端機將光信號變換為電信號，最后經主控計算機處理，在顯控臺的顯示器上顯示出堤壩表面的缺陷和破損情況。同時探測設備中的高分辨率剖面聲納獲取堤壩內部材質分層結構的聲回波信號，經上述同樣的電—光—電信號轉換后，在顯控臺的顯示器上顯示出堤壩內部的空洞、構造的不均勻性等缺陷情況。水下微光電視在清水情況下、近距離探測堤壩表面時效果較好，起到輔助探測的作用。其探測到的堤壩表面情況的圖像，也經上述轉換送到顯控臺的顯示器上，顯示出堤壩的表面破損圖像。上面所述的高分辨率多波束聲納每次聲波發射后根據回波進行波束形成，僅獲得一條帶狀聲圖像；高分辨率剖面聲納所獲得的也僅是一條堤壩內部的帶狀剖面圖像。因此這樣探測對堤壩表面和內部均不能形成三維聲圖像。為了獲取對堤壩表面和內部結構的三維聲圖像，本專利技術的探測方法是1.操作員根據顯控臺的顯示器所顯示的從導航設備獲取的水下機器人載體在水下所處位置的圖像與參數，操縱顯控臺的手動操縱桿控制水下機器人載體做上下、左右、前后及左旋和右旋運動；同時控制高分辨率多波束聲納按照設定的聲波發射重復周期，向所測的堤壩不斷發射聲波。所獲得的聲回波信號經光電復合纜傳送至堤岸設備上顯控臺的主控計算機，經波束形成和對多條帶狀圖像的拼接，形成堤壩表面的三維聲圖像；對該拼接成的圖像經顯控臺的主控計算機進行包括圖像修復、增強、特征提取和紋理識別的數字處理后，將其傳送本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種堤壩隱患檢測水下機器人系統及檢測方法，其特征在于其水下機器人系統包括水下機器人載體［１］及安裝在水下機器人載體［１］上的導航設備［２］和探測設備［３］，以及設置在堤壩［２８］上的車載基站或水面支持船上的堤岸設備［４］，其中水下機器人載體［１］由組合框架［５］和安裝在組合框架［５］上的推進控制艙［６］、推進器［７］、［８］、［９］、［１０］、［１１］、［１２］、電源變換艙［１３］和水下光端機［１４］組成；導航設備［２］由多卜勒測速儀［１５］、測高聲納［１６］、測距聲納［１７］、深度傳感器［１８］、羅經［１９］和ＧＰＳ接收機［２０］組成；探測設備［３］由高分辨率多波束聲納［２１］、高分辨率剖面聲納［２２］和水下微光電視［２３］組成；堤岸設備［４］由顯控臺［２４］、配電箱［２５］、光電復合纜［２６］和水面光端機［２７］組成，通過光電復合纜［２６］，將堤岸設備［４］的配電箱［２５］和顯控臺［２４］分別與水下機器人載體［１］的水下電源變換艙［１３］及組成導航設備［２］和探測設備［３］的各儀器進行光、電信號聯接。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：桑恩方，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，甘肅長城水下高技術有限公司，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]